一種光纖光柵地聲傳感探頭及傳感系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳感器技術領域，具體而言涉及一種光纖光柵地聲傳感探頭及傳感系 統。
【背景技術】
[0002] 泥石流地聲是指泥石流在流動過程中，夾雜的顆粒物會與沿途山體發生碰撞，產 生具有特定頻率的振動，這種振動沿溝岸巖石傳播便產生泥石流地聲。通過監測泥石流地 聲可以對泥石流的發生進行早期預警，最大限度地爭取防災減災時間，有效降低災害損失 的程度。然而，相比較地震波的監測，泥石流產生的地聲強度低，且在淺層地表的傳播過程 中衰落快，最大傳播距離約100米，顯著頻率在IOOHz左右。傳統的電子振動傳感器已經在 泥石流地聲監測中獲得應用，但在布設和維護方面存在較大困難。光纖傳感技術具有高靈 敏度、易于多點復用、抗電磁干擾、無源遠程監測等特性，在復雜環境的振動監測中倍受青 睞。為了可靠監測泥石流地聲信號，要求光纖傳感器具有很高的靈敏度（可探測加速度小 于〇. Ig)，固有頻率高于250HZ左右。此外，由于大多數泥石流的源發地具有不確定性，為了 準確預報和研究泥石流的爆發及演進規律，需要在可能爆發的區域大量布設傳感器，這對 傳感器的復用數量、靈敏度、監測距離和實時性都提出了很高的要求。現有的"點式"光纖 光柵傳感器是將光纖光柵固定在機械結構上（如懸臂梁），通過機械結構傳導實現振動傳 感，其靈敏度可基本滿足泥石流地聲監測的要求，但很難進行大規模復用，不易在廣域范圍 內進行布設；分布式光纖傳感技術（如光纖布里淵傳感器（BOTDA)、光纖拉曼傳感器（DTS)) 能較好地滿足大范圍監測的要求，但檢測的傳感信號弱，需要通過大容量的數據處理提取 信號，實時性不佳。
[0003] 為了提升光纖振動傳感器的靈敏度和復用能力，實現對泥石流地聲的大范圍、高 可靠性監測，一些研究人員引入光纖水聽計的傳感方案（見"劉育梁，何俊等.光纖地震 波探測的研究進展[J].激光與光電子學進展.2009, 11:21~28. "），采用DFB光纖激光 技術將振動變化轉換成波長的變化，再通過非平衡邁克爾遜干涉儀解調并放大這種波長變 化，實現高靈敏度的地聲傳感，但該方案需要在有源光纖上刻寫高反射率光柵，制備工藝復 雜，可復用傳感器的數量有限，且系統構建成本高，鮮有在民用領域應用的相關報道。其它 光纖傳感技術，諸如光纖光柵法布里-珀羅（FFP)干涉儀等，很難在光域內對傳感信號進行 放大，靈敏度改善十分有限，且系統復雜，實用性不強。因此，開發高靈敏度、強復用能力的 新型地聲傳感器具有重要應用價值。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種光纖光柵地聲傳感探頭及系統，該裝置結 構簡單、制作方便、靈敏度高、配置靈活等優點。
[0005] 本發明采取的技術方案為：
[0006] -種光纖光柵地聲傳感探頭，包括光纖、彈簧、質量塊、筒體，筒體內設有彈簧、質 量塊，彈簧一端與質量塊連接，彈簧另一端與筒體連接；光纖一端與質量塊膠結，光纖另一 端與筒體膠結。
[0007] 所述光纖上刻寫有第一啁嗽光柵、第二啁嗽光柵，所述第一啁嗽光柵、第二啁嗽光 柵位于光纖膠結點附近，應變傳感工作區外。
[0008] 所述第一啁嗽光柵、第二啁嗽光柵具有相同的反射光譜特性，且反射率低于1%。
[0009] 質量塊頂部到筒體內部頂面之間的距離為L，改變所述質量塊與所述筒體之間的 距離L，可以改變傳感探頭的靈敏度。
[0010] 一種光纖光柵地聲傳感系統，包括激光光源、電光調制器、光環行器、傳輸光纖、以 及一種地聲傳感探頭，所述光環行器的第一端口連接激光光源；光環行器的第二端口連接 傳輸光纖；所述傳輸光纖上串接多個所述地聲傳感探頭；光環行器的第三端口連接所述光 電探測器；光電探測器與帶A/D轉換的數據采集卡連接；所述延時模塊的第一端口連接電 光調制器；延時模塊的第二端口連接所述數據采集卡的外觸發端口；所述計算機與延時模 塊的控制端口連接；計算機與數據采集卡的輸出端口連接。
[0011] 所述激光光源的工作波長位于所述地聲傳感探頭內的啁嗽光柵的反射譜范圍內。
[0012] 一種光纖光柵地聲傳感系統的傳感方法，光源的連續光經過電光調制器調制后， 形成光脈沖，光脈沖進入光環行器，再進入所述地聲傳感探頭，在各個探頭位置形成反射的 干涉脈沖信號，再經過光環行器進入光電探測器，將光信號的變化轉換為電信號的變化。延 時模塊觸發數據采集卡進行采集，將含有相位變化信息的數字信號傳送給計算機，計算機 調用相位解調算法，識別數字信號的相位變化，解調出振動參量。
[0013] 所述地聲傳感探頭通過光纖進行串接，所述延時模塊產生兩路時延可控的脈沖， 驅動所述電光調制器和所述數據采集卡，基于單光纖上不同位置上地聲傳感探頭反射相干 脈沖光信號的時延不同進行分別采集和處理，實現多點時分復用。
[0014] 一種光纖光柵地聲傳感系統的傳感方法，應用于泥石流監測。
[0015] 光纖光柵地聲傳感系統的工作及復用原理如下：
[0016] 激光光源發出的光經過環形器注入到單光纖邁克爾遜干涉傳感器，假定啁嗽光柵 (2)和啁嗽光柵（6)反射系數為R。，激光的光強為I。，則啁嗽光柵（2)反射光為I。*!?。，透射 光為10(1-10。透射光入射到啁嗽光柵（6)上時，反射信號的強度為1。*(1_1〇噸。，反射信 號通過啁嗽光柵（2)后的強度為：1。*(1-1〇2*1?。。則啁嗽光柵（2)和啁嗽光柵（6)兩束返 回光的強度之比為(I-Rd)2.
[0017] 對于反射率低于1%的弱光柵，兩個光柵之間的多次反射對干涉條紋的影響非常 有限，可以近似為等功率兩束光。兩束光是同一激光光源的反射光，具有相同的傳播方向和 穩定的相位差，因此會產生雙光束干涉，符合邁克爾遜干涉的條件，因此有：
[0018] ID~2R0*I0*{l+cos[4 π neffL/λ+ φΓ]} (I)
[0019] 式中，Id為雙光束干涉的光強，L為兩光柵之間的距離，（^為兩光柵之間的相位 差。當兩個光柵之間的光纖受到外界擾動時，干涉信號的相位差變化Λ Φ :
[0021] 由公式（2)可知，當光源的波長確定后，兩束干涉光的干涉相位變化系數與光柵 間距L直接相關。光柵距離越長，相位變化的靈敏度越高。研究表明，普通光柵的相位變化 為：
[0023] 式中，d為光柵的長度。大多數光柵的長度在幾個毫米，而邁克爾遜干涉傳感器兩 個光柵之間的距離理論上由激光光源的相干長度確定。比較式（2)和（3)可知，在同樣的 應變參數下，單光纖邁克爾遜干涉傳感器的靈敏度比單光柵高L/d倍。例如，假定光柵的長 度為6_，邁克爾遜干涉傳感器的臂長L為180_，則系統的靈敏度可提高30倍！
[0024] 在實際的地聲傳感探頭制作時，為了保證光柵本身不受應力的影響，從而引起相 位變化誤差，將光柵分別封裝在光纖的應力工作區以外。此外，根據不同泥石流地聲的要 求，可以改進傳感探頭機械結構的長度，靈活調節光柵之間應力區間長度L來改變探頭的 靈敏度。
[0025] 對于多探頭復用，可以采用弱光柵時分復用技術，即選用同波長的啁嗽弱光柵制 作探頭，對多個探頭進行依次串接。在振動監測時，延時模塊產生兩路時延可編程調節的脈 沖，分別驅動所述電光調制器和所述數據采集卡，由于不同位置上的地聲傳感探頭反射回 來的相干脈沖光信號時延不同，通過調節延時模塊的時延值，使采集卡在目標探頭反射信 號到達時被觸發，采集卡采集當前信號并處理，而其他位置探頭反射的信號將被隔離。基于 該方法，通過預置不同的時延值，可依次檢測各探頭的振動信號，實現多探頭的時分復用。 而預置時延值的提取，可以在系統上電時，通過對整個光纖線路的掃描，結合光柵反射信號 的強度定位獲取并保存，無需人工配置。系統的復用能力與選用光柵的反射率直接相關，例 如，選用反射率1 %的光柵制作探頭，其復用數量即可與傳統高反射率光柵的波分復用方案 (WDM)相當。當光柵反射率下降到0.01%，單工作窗口可復用500個傳感探頭。因此，該發 明的傳感系統既可以實現高靈敏傳感，又可以根據具體監測對象或應用場景的要求，調整 光柵的反射率、時延等參數，實現傳感探頭的大規模復用，具有極佳的適應性。
[0026] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于：
[0027] 1、干涉結構簡單，靈敏度高。采用典型的活塞式振動傳感結構，在一根光纖中實現 雙光柵干涉，無需對光柵進行特殊封轉處理，物理結構簡單；利用弱啁嗽光柵反射光的邁克 爾遜干涉，靈敏度比單光柵高L/d倍。
[0028] 2、弱光柵制